Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp nhựa Việt Nam giữ vai trò thiết yếu trong nền kinh tế với quy mô năm 2022 ước đạt trên 25 tỷ USD, xuất khẩu sản phẩm tới hơn 160 quốc gia. Toàn ngành hiện có hơn 4.000 doanh nghiệp đang hoạt động (trong đó hơn 99% là doanh nghiệp tư nhân, 90% là doanh nghiệp nhỏ và vừa) với lực lượng lao động trên 250.000 người, mức tiêu thụ chất dẻo bình quân đạt khoảng 62 kg/người. Tuy nhiên, ngành nhựa trong nước vẫn mang tính chất gia công lớn khi phụ thuộc tới 70–80% nguồn nguyên liệu nhập khẩu và gần 100% máy móc, thiết bị từ các thị trường nước ngoài (Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản, Đức, Ý). Về mặt địa lý, các doanh nghiệp tập trung chủ yếu tại khu vực miền Nam (chiếm 80%), miền Bắc (18%) và miền Trung (2%).

Trong cơ cấu ngành, mảng bao bì chiếm tỷ trọng cao nhất (38%), kế tiếp là nhựa gia dụng (30%), nhựa xây dựng (24%) và nhựa kỹ thuật (9%). Nhu cầu sản xuất sản phẩm nhựa đòi hỏi công nghệ khuôn mẫu phải đáp ứng độ chính xác cao và tối ưu hóa thời gian chuẩn bị sản xuất. Tuy nhiên, các phương pháp gia công khuôn truyền thống như đúc hoặc gia công cắt gọt CNC thường có chi phí đầu tư phôi lớn, thời gian gia công kéo dài và hao phí vật liệu cao đối với các cấu trúc phức tạp. Trước yêu cầu đó, việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ mới như sản xuất bồi đắp kim loại kết hợp hàn hồ quang (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) mở ra khả năng chế tạo lòng khuôn nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và linh hoạt trong kết cấu.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Nghiên cứu và phát triển thiết kế khuôn phun ép nhựa dạng 2D.
    • Ứng dụng công nghệ WAAM trong việc chế tạo các tấm lòng khuôn (Core và Cavity).
    • Kiểm tra, đánh giá hiệu suất của khuôn ép và chất lượng sản phẩm nhựa thành phẩm sau khi ép thử nghiệm.
    • Đóng góp giải pháp kỹ thuật mới trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu công nghiệp.

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu (gồm 6 nội dung chính):

    • Nhiệm vụ 1: Thiết kế mô hình 3D của sản phẩm nhựa dạng 2D cần phun ép.
    • Nhiệm vụ 2: Tách khuôn và xây dựng mô hình 3D cho tấm khuôn dương (Core) và tấm khuôn âm (Cavity).
    • Nhiệm vụ 3: Thiết kế hệ thống phân lớp (layer) để tạo hình tấm khuôn dương và tấm khuôn âm.
    • Nhiệm vụ 4: Chế tạo tấm khuôn dương và khuôn âm bằng phương pháp cắt laser kết hợp hàn bồi đắp WAAM và gia công cơ khí.
    • Nhiệm vụ 5: Lắp ráp bộ khuôn hoàn chỉnh và tiến hành thử nghiệm phun ép thực tế.
    • Nhiệm vụ 6: Tổng hợp dữ liệu thực nghiệm, phân tích khuyết tật và hoàn thiện báo cáo.
  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ chế tạo lòng khuôn ép nhựa dạng 2D bằng phương pháp WAAM; kết cấu bộ khuôn ép nhựa 2 tấm; sản phẩm nhựa nhiệt dẻo Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
    • Thời gian: Học kỳ 2, năm học 2023–2024 (hoàn thành tháng 06/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án tích hợp cơ sở lý thuyết về gia công bồi đắp kim loại, công nghệ khuôn mẫu và kỹ thuật ép phun nhựa nhiệt dẻo:

  • Công nghệ WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing): Phương pháp sản xuất bồi đắp kim loại sử dụng nguồn nhiệt hồ quang điện từ thiết bị hàn (cụ thể là hàn MIG - Metal Inert Gas) để làm nóng chảy dây kim loại bồi đắp, kết hợp các tấm thép rời rạc đã được cắt biên dạng thành một khối lòng khuôn hoàn chỉnh.
  • Công nghệ khuôn ép phun 2 tấm: Nghiên cứu cấu trúc chuẩn của bộ khuôn 2 tấm bao gồm: tấm khuôn trước (tấm cối/cavity), tấm khuôn sau (tấm chày/core), hệ thống kẹp, hệ thống dẫn hướng - định vị, hệ thống cấp nhựa kênh dẫn nguội, hệ thống làm nguội đường nước, hệ thống thoát khí và hệ thống lói/đẩy sản phẩm.
  • Vật liệu thép C45: Sử dụng để cắt laser các tấm layer lòng khuôn nhờ cơ tính cân bằng, độ bền cơ học tốt, khả năng gia công cắt gọt và hàn bồi đắp phù hợp, chi phí hợp lý.
  • Vật liệu nhựa ABS: Nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật có độ bền va đập, khả năng chịu nhiệt, tính ổn định kích thước và cách điện tốt, phù hợp cho quy trình ép phun thử nghiệm.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp thiết kế mô hình hóa CAD: Sử dụng phần mềm PTC Creo Parametric để thiết kế chi tiết sản phẩm 2D, tách mặt phân khuôn, thiết lập kết cấu bộ khuôn và phân tách các lớp layer kim loại.
    • Phương pháp mô phỏng kỹ thuật CAE: Sử dụng phần mềm Autodesk Moldflow để mô phỏng quá trình điền đầy dòng nhựa, áp suất phun, nhiệt độ, dự đoán bẫy khí (air trap) và đường hàn (weld line).
    • Phương pháp thực nghiệm chế tạo và thử nghiệm cơ khí: Cắt laser phôi tấm thép C45 theo từng layer, xếp chồng và hàn bồi đắp MIG (WAAM), gia công phay mặt phẳng lắp ghép, lắp ráp linh kiện tiêu chuẩn MISUMI, gá đặt khuôn lên máy ép nhựa công nghiệp Haitian và tiến hành ép phun mẫu thực tế.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tiêu chuẩn linh kiện khuôn mẫu của hãng MISUMI, dữ liệu thông số vật liệu nhựa ABS và thép C45 từ phần mềm Moldflow/Creo và sổ tay công nghệ chế tạo máy, số liệu thực nghiệm từ máy hàn MIG và máy ép Haitian.

Thiết kế và triển khai quy trình chế tạo

Quy trình thiết kế và chế tạo hệ thống khuôn mẫu ứng dụng WAAM được triển khai theo các bước kỹ thuật tuần tự:

Hạng mục kỹ thuật Thông số / Giải pháp triển khai thực tế
Loại kết cấu khuôn Khuôn 2 tấm, hệ thống kênh dẫn nguội (Cold runner)
Phần mềm thiết kế & mô phỏng PTC Creo Parametric (CAD), Autodesk Moldflow (CAE)
Linh kiện tiêu chuẩn (MISUMI) Bạc dẫn hướng, chốt dẫn hướng, chốt đẩy (ty lói), chốt hồi, bạc cuống phun, vòng định vị
Hệ thống cấp nhựa Cuống phun côn, kênh dẫn nhựa tiết diện tròn/thang, miệng phun cạnh (Side/Edge gate)
Hệ thống làm nguội & thoát khí Kênh làm nguội tích hợp trong các tấm layer; rãnh thoát khí trên mặt phân khuôn kết hợp thoát khí qua khe hở giữa các lớp layer
Vật liệu lòng khuôn Thép kết cấu carbon C45, chia thành các tấm layer
Công nghệ bồi đắp lòng khuôn Cắt laser CNC từng tấm layer C45 $\rightarrow$ Xếp chồng định vị $\rightarrow$ Hàn bồi đắp hồ quang MIG (WAAM) liên kết khối
Gia công hoàn thiện Phay phẳng bề mặt phân khuôn và lòng khuôn sau khi hàn đắp
Thiết bị thử nghiệm ép phun Máy ép phun nhựa Haitian, nguyên liệu hạt nhựa nhiệt dẻo ABS

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương này phân tích tổng thể bức tranh ngành nhựa Việt Nam, chỉ ra các số liệu về tỷ trọng phân bố doanh nghiệp (miền Nam 80%, miền Bắc 18%, miền Trung 2%), cơ cấu nhóm sản phẩm (bao bì 38%, gia dụng 30%, xây dựng 24%, kỹ thuật 9%). Tác giả nêu rõ bức tranh tài chính và biến động nguyên liệu thông qua trường hợp của các doanh nghiệp lớn như Nhựa Bình Minh (BMP đạt doanh thu 5.157 tỷ đồng năm 2023, biên lãi gộp 41%).

Về mặt kỹ thuật, chương trình bày các đặc tính cơ lý, phân loại và ứng dụng của nhựa ABS; phân tích nguyên lý, ưu nhược điểm của công nghệ ép phun nhựa; so sánh chi tiết kết cấu giữa khuôn 2 tấm và khuôn 3 tấm. Chương 1 cũng tổng quan về cấu tạo, nguyên lý vận hành của máy ép nhựa cùng các nhà sản xuất máy tiêu biểu (Arburg, Engel, Haitian, Fanuc, KraussMaffei...). Cuối cùng, tác giả giới thiệu khái niệm, nguyên lý hoạt động và triển vọng ứng dụng của công nghệ sản xuất bồi đắp hồ quang dây (WAAM) trong chế tạo cơ khí nói chung và khuôn ép nhựa nói riêng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung vào cơ sở khoa học của công nghệ WAAM, nguồn gốc phát triển từ công nghệ hàn truyền thống và các cột mốc phát triển bồi đắp kim loại. Tác giả trình bày quy trình tích hợp WAAM vào chế tạo lòng khuôn:

  1. Thiết lập các thông số chế độ hàn MIG (cỡ dây hàn, điện áp hàn, cường độ dòng điện, tốc độ cấp dây và khí bảo vệ).
  2. Phân tích thông số kỹ thuật của máy ép phun Haitian sử dụng cho quá trình thử nghiệm.
  3. Cơ sở lựa chọn vật liệu thép C45: Phân tích thành phần hóa học, đặc tính cơ học và lợi ích của thép C45 trong việc cắt laser các tấm layer mỏng trước khi tiến hành hàn bồi đắp WAAM.

Chương 3: Mô hình nghiên cứu

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế và mô phỏng số:

  • Ứng dụng Creo Parametric: Thiết kế sản phẩm 2D; tính toán lượng co ngót; xác định kích thước lòng khuôn (Cavity) và lõi (Core); thiết kế hệ thống cấp nhựa (bạc cuống phun, kênh dẫn, miệng phun cạnh); bố trí hệ thống làm nguội; thiết kế hệ thống đẩy (ti đẩy, ti hồi) và hệ thống dẫn hướng theo chuẩn chi tiết MISUMI.
  • Thiết kế phân lớp layer: Chia mô hình lòng khuôn 3D thành các tấm layer 2D độc lập để phục vụ cắt laser kim loại, tạo điều kiện tạo hình rãnh làm mát và rãnh thoát khí tự nhiên qua các lớp.
  • Ứng dụng Autodesk Moldflow: Mô phỏng số quá trình phun ép nhựa ABS, xác định thời gian điền đầy (Fill time), độ tin cậy điền đầy (Confidence of fill), áp suất phun (Injection pressure), mức độ chênh lệch áp suất, vị trí bẫy khí (Air traps) và vị trí xuất hiện đường hàn (Weld lines).
  • Quy trình chế tạo lòng khuôn: Cắt laser các tấm layer từ thép C45, làm sạch bề mặt, lắp ghép định vị, thực hiện hàn đắp hồ quang MIG từng lớp để liên kết các tấm thành khối vững chắc, sau đó phay khỏa mặt phẳng để đạt độ phẳng làm việc.

Kết quả thực nghiệm

Nội dung này ghi nhận quá trình lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn 2 tấm và tiến hành gá đặt lên máy ép nhựa Haitian:

  • Thực hiện quá trình ép thử nghiệm với vật liệu hạt nhựa ABS thực tế.
  • Đánh giá chất lượng bề mặt và độ chính xác hình học của lòng khuôn sau gia công WAAM và phay mặt.
  • Phân tích các sản phẩm nhựa tạo ra: Nhận diện hai dạng khuyết tật xuất hiện trên sản phẩm ép thử là khuyết tật thiếu nhựa (do thông số áp lực hoặc nhiệt độ chưa tối ưu) và khuyết tật bavia (do độ kín khít bề mặt phân khuôn giữa tấm Core và Cavity sau quá trình hàn bồi đắp chưa tuyệt đối).
  • Đề xuất các biện pháp khắc phục sai hỏng về mặt công nghệ ép và gia công cơ khí.
  • Tổng kết các nội dung đã hoàn thành, chỉ rõ các mặt hạn chế và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Hoàn thiện bản thiết kế 3D hoàn chỉnh cho bộ khuôn ép nhựa 2 tấm dành cho sản phẩm dạng 2D trên phần mềm PTC Creo Parametric.
    • Tích hợp thành công dữ liệu mô phỏng CAE từ Autodesk Moldflow, hỗ trợ việc dự đoán chính xác các điểm rỗ khí, đường hàn và áp suất cần thiết trước khi chế tạo cơ khí.
    • Ứng dụng thành công phương pháp WAAM kết hợp giữa cắt laser thép tấm C45 và hàn hồ quang MIG để chế tạo thực tế cặp lòng khuôn Cavity và Core.
    • Gia công, lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn sử dụng linh kiện chuẩn MISUMI, gá đặt và thực hiện chu trình ép phun sản phẩm nhựa ABS trên máy ép Haitian.
  • Giải pháp và kiến nghị của tác giả:
    • Tận dụng khe hở giữa các tấm layer cắt laser để hỗ trợ thoát khí trong lòng khuôn, hạn chế rỗ khí cho sản phẩm.
    • Cần thực hiện gia công phay phẳng mặt phân khuôn kỹ lưỡng sau khi hàn đắp WAAM để triệt tiêu khe hở, giảm thiểu hiện tượng bavia trên sản phẩm nhựa.
    • Tối ưu hóa chế độ thông số ép (áp lực phun, nhiệt độ gia nhiệt xilanh, thời gian làm nguội) trên máy Haitian để loại bỏ khuyết tật thiếu nhựa.
  • Đóng góp của đề tài: Đồ án chứng minh tính khả thi của phương pháp kết hợp cắt laser thép tấm C45 và hàn đắp WAAM/MIG trong chế tạo lòng khuôn ép nhựa, giúp rút ngắn thời gian tạo phôi khuôn dạng lớp so với phương pháp phay CNC nguyên khối truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới dừng lại ở phạm vi nghiên cứu và thử nghiệm chế tạo cho sản phẩm nhựa dạng 2D phẳng, chưa mở rộng cho các biên dạng 3D phức tạp hoặc có độ sâu lớn.
    • Bề mặt lòng khuôn sau khi hàn đắp WAAM có độ nhấp nhô nhiệt, bắt buộc phải qua nguyên công phay phẳng bề mặt tiếp xúc.
    • Trong quá trình ép thử nghiệm ban đầu, sản phẩm thực tế vẫn còn xuất hiện khuyết tật bavia ở mép phân khuôn và khuyết tật nhựa do biến dạng nhiệt cục bộ của khối hàn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ WAAM tự động hóa (sử dụng cánh tay robot điều khiển đường hàn) để nâng cao độ đồng đều của mối hàn bồi đắp.
    • Ứng dụng công nghệ WAAM để chế tạo các đường nước làm mát biên dạng phức tạp (conformal cooling channels) uốn lượn theo hình học lòng khuôn 3D nhằm nâng cao hiệu quả giải nhiệt.
    • Mở rộng nghiên cứu trên các mác thép làm khuôn chuyên dụng khác và tối ưu hóa bộ thông số công nghệ ép phun hàng loạt.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ chế tạo máy, Công nghệ Vật liệu: Tham khảo quy trình thiết kế khuôn mẫu 2 tấm trên Creo Parametric, kỹ năng trích xuất bản vẽ và lựa chọn linh kiện tiêu chuẩn theo hệ thống MISUMI.
  • Cán bộ kỹ thuật khuôn mẫu và công nghệ bồi đắp: Tham khảo quy trình ứng dụng kết hợp cắt laser layer và hàn bồi đắp WAAM/MIG để tạo phôi lòng khuôn nhanh, giảm tải khối lượng gia công cắt gọt.
  • Nghiên cứu mô phỏng ép phun: Cung cấp quy trình từng bước thiết lập bài toán phân tích dòng chảy nhựa nhiệt dẻo (ABS) trên phần mềm Autodesk Moldflow để dự đoán khuyết tật đường hàn, bẫy khí và áp suất điền đầy.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn vật liệu nào để chế tạo các tấm lòng khuôn và loại nhựa nào để ép thử nghiệm?

Tác giả sử dụng thép carbon C45 để cắt laser thành các tấm layer và hàn bồi đắp WAAM tạo lòng khuôn. Loại nhựa được sử dụng trong mô phỏng Moldflow và ép thử nghiệm thực tế là nhựa nhiệt dẻo ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene).

2. Quy trình ứng dụng công nghệ WAAM để tạo hình lòng khuôn trong đồ án diễn ra như thế nào?

Quy trình gồm 4 bước chính: (1) Chia mô hình 3D lòng khuôn (Core và Cavity) thành các tấm layer 2D trên Creo Parametric; (2) Cắt laser các tấm thép C45 theo biên dạng layer; (3) Xếp chồng các tấm layer, định vị và thực hiện hàn bồi đắp hồ quang MIG (WAAM) để liên kết các tấm thành khối đồng nhất; (4) Phay khỏa mặt phẳng để tạo bề mặt phân khuôn và lòng khuôn chính xác.

3. Những phần mềm nào được sử dụng trong quá trình nghiên cứu và vai trò của chúng là gì?

Đồ án sử dụng hai phần mềm chính:

  • PTC Creo Parametric: Dùng để thiết kế mô hình 3D sản phẩm, tách khuôn, phân tách các tấm layer và thiết kế toàn bộ hệ thống kết cấu bộ khuôn 2 tấm.
  • Autodesk Moldflow: Dùng để mô phỏng quá trình điền đầy nhựa ABS, phân tích thời gian điền đầy, áp lực phun, chênh lệch áp suất, dự đoán vị trí bẫy khí (air trap) và đường hàn (weld line).

4. Kết quả ép thử nghiệm trên máy Haitian ghi nhận những khuyết tật nào và nguyên nhân do đâu?

Quá trình ép thử ghi nhận hai khuyết tật chính:

  • Khuyết tật thiếu nhựa: Do thông số áp lực phun hoặc nhiệt độ nung chảy nhựa chưa đạt mức tối ưu để điền đầy toàn bộ lòng khuôn.
  • Khuyết tật bavia: Xuất hiện tại mặt phân khuôn do độ phẳng và độ kín khít giữa tấm khuôn âm (Cavity) và tấm khuôn dương (Core) sau bước hàn đắp WAAM và phay mặt chưa đạt độ khít tuyệt đối dưới áp lực ép cao.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và triển khai thành công quy trình ứng dụng công nghệ bồi đắp hồ quang dây (WAAM) kết hợp cắt laser thép C45 trong chế tạo lòng khuôn cho sản phẩm nhựa dạng 2D. Công trình đã kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế CAD (Creo Parametric), mô phỏng số CAE (Autodesk Moldflow) và thực nghiệm chế tạo, lắp ráp bộ khuôn 2 tấm hoàn chỉnh trên máy ép nhựa Haitian. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của giải pháp bồi đắp kim loại trong việc rút ngắn quy trình chế tạo khuôn mẫu, đồng thời chỉ ra các điểm cần hoàn thiện về độ kín khít mặt phân khuôn và thông số ép để ứng dụng hiệu quả trong sản xuất cơ khí.